JPH09129247A - 固体電解質型燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高緻密度、高強度、良好な電気伝導度を有
し、耐熱性、耐食性に優れ、熱膨張特性を調整しうるな
どの良好なセパレータ物性を保持しながら、還元雰囲気
にさらされるアノード側の劣化を抑止しうる固体電解質
型燃料電池用セパレータを提供する。 【解決手段】 上記セパレータを、耐熱金属と酸化物系
導電性セラミックスとから成るサーメットで構成された
セパレータ基体と、該基体のアノードガス対応面にそれ
がアノードガスと直接接触しないように設けた耐熱金属
を含有する保護膜とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な固体電解質
型燃料電池用セパレータに関するものである。さらに詳
しくいえば、本発明は、高緻密度、高強度、良好な電気
伝導度を有し、耐熱性、耐食性に優れ、しかも熱膨張率
等の熱膨張特性を調整しうるという良好なセパレータ物
性を保持しながら、さらに還元雰囲気にさらされるアノ
ード側の劣化を抑止しうる固体電解質型燃料電池用セパ
レータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素、一酸化炭素、炭化水
素等の燃焼性化学物質やそれを含有する燃料を活物質に
用い、該化学物質や燃料の酸化反応を電気化学的に行わ
せ、酸化過程におけるエネルギー変化を直接的に電気エ
ネルギーに変換させる電池であって、高いエネルギー変
換効率を期待しうるものである。

【０００３】中でも特に高い効率を期待しうるものとし
て、近年、第一世代のリン酸型、第二世代の溶融炭酸塩
型に続く第三世代の固体電解質型燃料電池、中でも集積
度の高い平板型のものが注目されている。図１は、この
平板型の３段直列セルの固体電解質型燃料電池の１例の
展開斜視説明図であって、各固体電解質板１１の上面及
び下面にそれぞれカソード１２及びアノード１３を一体
形成して成る３層構造板をセパレータ１４を介して接合
集積し、両端にはセパレータを兼ねる外部端子１５，１
６をそれぞれ設けて構成されている。同様にして単位セ
ルの積層数を増減することにより、多数のセルからなる
多段直列型の電池に形成される。セパレータ１４は隣接
するセルの電極間を電気的に接続するとともに、上面に
溝１４ａ，下面に溝１４ｂが形成されて隣接するセルの
アノード側及びカソード側の各ガス通路を形成し、外部
端子１５の下面に溝１５ｂが形成されて最上端のセルの
カソード側のガス通路を形成し、外部端子１６の上面に
溝１６ａが形成されて最下端のセルのアノード側のガス
通路を形成している。

【０００４】しかし、このような平板型のものは、普通
はセパレータがインターコネクタとも称されるように集
電機能を有し、それに適合するような材質の金属、例え
ば耐熱合金で形成されているのに対し、固体電解質はジ
ルコニアを主体とするセラミックスで形成されているた
め、両者間には、８００〜１０００℃という高温の電池
作動温度に及ぶ環境条件の変動に伴って線膨張係数等の
熱膨張特性にかなりの差異が生じるので、３層構造板と
セパレータ間には応力による歪が生じ、さらには接合強
度が低下したり、クラックが発生したり、接合部にすき
間を生じてガスが漏れ、水素などの燃料と空気などの酸
化剤ガスがクロスリークして活物質としての機能がそこ
なわれたりするおそれがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、先に、
このような従来のセパレータのもつ欠点を改善すべく、
ニッケル基合金、コバルト基合金、鉄基合金などの耐熱
合金を含有する耐熱金属と、耐熱性無機系化合物類との
一種のサーメットに属する焼結体より構成される所定燃
料電池用セパレータを提案した（特開平６−７６８３２
〜５号公報、特開平６−８１０６１〜３号公報、特開平
６−２１９８３４号公報、特願平３−２４４２２１号、
特願平６−２６３３０６号）。このものは耐熱性、耐食
性に優れ、ガス封止の安定性を向上させることができ、
実用的に十分な強度、電気伝導度、熱膨張特性を有し、
中でも該無機系化合物類として導電性セラミックスを用
いると非導電性セラミックスを用いた場合より導電性を
一段と向上させうることが期待される。しかしながら、
このように導電性セラミックスを用いた場合、還元雰囲
気のアノード側では、例えばランタンクロマイトではＬ
ａＣｒＯ₃→ＬａＣｒＯ_3-vの変化がみられるように、理
論量からの酸素欠損が起こり、このｖ値が大きくなると
結晶構造の変化を生じるため、その物性も変わり、特に
体積変化や熱膨張特性の変動ひいては強度の低下や導電
率の低下を来すという問題がある。

【０００６】本発明は、このような事情の下、高緻密
度、高強度、良好な電気伝導度を有し、耐熱性、耐食性
に優れ、しかも熱膨張率等の熱膨張特性を調整しうると
いう良好なセパレータ物性を保持しながら、さらにアノ
ード側の上記問題を克服しうる固体電解質型燃料電池用
セパレータを提供することを目的としてなされたもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい性質を有するセパレータを開発するために種々研
究を重ねた結果、耐熱金属／酸化物系導電性セラミック
ス組成のサーメットをそのままセパレータとして用いた
場合、そのアノードガスと接する面に耐熱金属を含有す
る保護膜を設けることにより、その目的を達成しうるこ
とを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至
った。

【０００８】すなわち、本発明は、 （１）（Ａ）耐熱金属と酸化物系導電性セラミックスと
から成るサーメットで構成されたセパレータ基体と、
（Ｂ）該基体のアノードガス対応面にそれがアノードガ
スと直接接触しないように設けた耐熱金属を含有する保
護膜とから成る固体電解質型燃料電池用セパレータを提
供するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施態様として
は、（２）耐熱金属がアルミニウム及びケイ素の中から
選ばれた少なくとも１種を含むニッケル基合金、鉄基合
金及びコバルト基合金の中から選ばれた少なくとも１種
である前記（１）項記載の固体電解質型燃料電池用セパ
レータ、（３）酸化物系導電性セラミックスが、希土類
系複合酸化物、酸化インジウム、Ｓｎドープ酸化インジ
ウム、酸化亜鉛、酸化スズ、Ｓｂドープ酸化スズ、酸化
コバルト及び酸化鉄の中から選ばれた少なくとも１種で
ある前記（１）項又は（２）項記載の固体電解質型燃料
電池用セパレータ、（４）希土類系複合酸化物が、次の
一般式 （Ｌ_1-xＡ_x）_a（Ｃｒ_1-yＢ_y）_bＯ₃ （式中のＬはＬａ及び／又はＹ、ＡはＳｒ、Ｃａ及びＢ
ａの中から選ばれた少なくとも１種の元素、ＢはＣｏ、
Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ及びＺｎの中から選ばれた少な
くとも１種の元素、０＜ｘ≦０．２、０＜ｙ≦０．２、
０．９５≦ｂ／ａ≦１．０５である）、 （Ｌ_1-xＡ_x）_aＣｒ_bＯ₃ （式中のＬ、Ａ及びｘは前記と同じ意味をもち、０．９
５≦ｂ／ａ≦１．０５である）又は Ｌ_aＣｒ_bＯ₃ （式中のＬは前記と同じ意味をもち、０．９５≦ｂ／ａ
≦１．０５である）で表わされ、かつペロブスカイト型
構造を有するものである前記（３）項記載の固体電解質
型燃料電池用セパレータ、（５）セパレータ基体におけ
る耐熱金属の体積比率が２０〜８０％である前記（１）
項ないし（４）項のいずれかに記載の固体電解質型燃料
電池用セパレータ、（６）耐熱金属を含有する保護膜
が、さらに非導電性セラミックスとしてアルミナ、シリ
カ、ムライト、コージュライト、炭化ケイ素及び窒化ケ
イ素の中から選ばれた少なくとも１種を含有する前記
（１）項ないし（５）項のいずれかに記載の固体電解質
型燃料電池用セパレータ、（７）耐熱金属を含有する保
護膜の厚さが１〜５０００μｍである前記（１）項ない
し（６）項のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池用
セパレータ、（８）耐熱金属がクロムを５％以上含有す
る耐熱合金であって、セパレータ基体のカソードガス対
応面にそれがカソードガスと直接接触しないように金属
酸化物の保護膜を設けて成る前記（１）項ないし（７）
項のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池用セパレー
タ、が挙げられる。本発明のさらに好ましい実施態様と
しては、（９）酸化物系導電性セラミックスが酸化亜
鉛、Ｌａ_1-zＳｒ_zＣｒＯ₃（式中、０＜ｚ≦０．４）及
びＬａＣｒＯ₃の中から選ばれた少なくとも１種である
前記（１）項ないし（８）項記載の固体電解質型燃料電
池用セパレータ、が挙げられる。

【００１０】本発明のセパレータの基体を構成するサー
メットは、耐熱金属と酸化物系導電性セラミックスとか
ら成る複合材料であって、通常は焼結体である。この一
方の成分の耐熱金属としては、固体電解質型燃料電池の
作動温度、例えば１０００℃などの高温に十分耐えうる
安定なものであれば特に制限はないが、好ましくはニッ
ケル基合金、鉄基合金及びコバルト基合金の中から選ば
れた少なくとも１種を含有する耐熱金属、中でもアルミ
ニウム及びケイ素の中から選ばれた少なくとも１種を含
むニッケル基合金及び鉄基合金の中から選ばれた少なく
とも１種が好ましく、特にインコネル６０１、インコネ
ル６１７、インコロイ８００、インコネルＸ‐７５０、
インコネル７５１、インコネル７１８、ＮＩＭＯＮＩＣ
８０Ａ、ＳＵＨ２１、ＳＵＨ４４６、カンタル、鉄ク
ロム合金などが好ましい。すなわち、アルミニウムやケ
イ素を含む合金は、酸化により導電性が低下するが、セ
パレータ用耐熱合金は酸化後も導電性を保つことが要求
されるため、使用に耐えなかったが、そのサーメットの
セラミックス成分に導電性酸化物を用いた結果、このサ
ーメットから成るセパレータは酸化後も導電性を有する
こととなり、アルミニウムやケイ素を含む合金、特に合
金種として安価な鉄系耐熱合金の使用が有利に可能にな
ったのである。

【００１１】その他、例えばクロム含有耐熱金属などが
挙げられ、これは、クロム以外にニッケル、コバルト及
び鉄の中から選ばれた少なくとも１種の金属を含むもの
が好ましい。この中で、クロムを５％以上含有する耐熱
金属、例えば５％以上好ましくは８〜３０％のクロムを
含有する耐熱合金単独のものや、クロム含有合金、好ま
しくは耐熱合金とニッケル、コバルト又は鉄のような耐
熱性の金属元素との複合系であって、この全量に対して
クロムを５％以上含有するものなども用いることができ
る。このようなものとしては、好ましくはクロムを含む
ニッケル基合金や鉄基合金が、特に好ましくはインコネ
ル６００、ハステロイ８００のようなＮｉ‐Ｃｒ系合金
や、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０のようなＦｅ‐Ｃｒ系
合金や、ＳＵＳ６３０のようなＦｅ‐Ｎｉ‐Ｃｒ系合金
が挙げられる。これらの耐熱合金及び耐熱性の金属元素
はいずれも単独で用いてもよいし、また２種以上を組み
合わせて用いてもよい。

【００１２】他方の成分の酸化物系導電性セラミックス
は、耐熱性のものであれば特に限定されず、好ましくは
ランタンクロマイト系複合酸化物やイットリウムクロマ
イト系複合酸化物のような希土類系複合酸化物、酸化第
二スズなどの酸化スズ、Ｓｂドープ酸化スズ、酸化イン
ジウム、Ｓｎドープ酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化コ
バルト、酸化鉄などが挙げられる。これらのセラミック
スは単独で用いてもよいし、また２種以上を組み合わせ
て用いてもよい。また、導電性セラミックスは、本発明
の目的をそこなわない範囲で、必要に応じ、非導電性セ
ラミックスを併用することができる。

【００１３】固体電解質型燃料電池においては通常ジル
コニア系固体電解質が用いられているが、このような電
池において、セパレータ基材の組成成分として好適な酸
化物系導電性セラミックスは、耐熱金属が通常熱膨張率
１３〜１８×１０^-6（Ｋ^-1）であることから、セパレー
タの熱膨張率をジルコニア系固体電解質の熱膨張率１０
〜１１×１０^-6（Ｋ^-1）と合わせうるような、熱膨張率
５〜９×１０^-6（Ｋ^-1）のものであり、この点から、特
に有利には、ランタンクロマイト系複合酸化物やイット
リウムクロマイト系複合酸化物のような希土類系複合酸
化物が挙げられる。このようなセラミックスを用いるこ
とにより、本発明のセパレータに常用のジルコニア系材
料より成る固体電解質とほぼ等しい線膨張率等の熱膨張
特性を容易にもたせることができる。

【００１４】また、セパレータ基体を構成するサーメッ
トにおいては、耐熱金属と酸化物系導電性セラミックス
との割合は適宜調整されうるが、好ましくは耐熱金属の
体積比率を２０〜８０％、より好ましくは３０〜７０％
とするのがよい。この比率が２０％未満では金属同士の
結合が少なくなり、破壊靭性が大きく低下して脆性破壊
が生じやすくなるし、また８０％を超えるとセラミック
ス同士の結合が少なくなり、高温における機械的強度が
著しく低下する上に、上記範囲を逸脱すると固体電解質
等の他の部材との熱膨張特性の整合性が低下する。

【００１５】また、このサーメットは、耐熱金属がマト
リックスとして、酸化物系導電性セラミックスが分散質
として存在するものが好ましく、さらに相対密度が９０
％以上であるものが特に好ましい。このようなものは、
好ましくは、耐熱金属粉末と、それより小さい粒径のセ
ラミックス粉末のそれより大きい造粒体との混合物を加
圧成形後焼成することによって得られる。

【００１６】さらに、セパレータ基体として、耐熱金属
の体積比率が２０〜８０％、好ましくは３０〜７０％
で、かつ耐熱金属がマトリックスとして、セラミックス
が分散質として存在し、かつ相対密度が９０％以上であ
るサーメットから成るものを用いると、１５００Ω^-1ｃ
ｍ^-1以上の高い電気伝導度、２５ｋｇｆ／ｍｍ²以上の
高い曲げ強度をもたせることが可能となる。曲げ強度を
高めることは、耐熱性、シール性を高め、薄膜化を進め
る上でも重要である。特に有利には、インコネル６０
１とＬａ（Ｓｒ）ＣｒＯ₃［この式はＬａ_1-zＳｒ_zＣｒ
Ｏ₃（式中、０＜ｚ≦０．４）及びＬａＣｒＯ₃の中から
選ばれた少なくとも１種を示す］、ＳＵＨ２１とＬａ
（Ｓｒ）ＣｒＯ₃、カンタルとＬａ（Ｓｒ）ＣｒＯ₃、
鉄クロム合金とＬａ（Ｓｒ）ＣｒＯ₃から成るサーメ
ットで、該耐熱合金の体積比率がこののサーメットで
は３０〜６０％、ないしのサーメットでは４０〜７
０％の範囲にあるものが用いられる。相対密度が９０％
未満ではガスのクロスリークが発生しやすくなり、電池
性能が劣化する傾向が見られる。

【００１７】セパレータ基体の形状については、固体電
解質型燃料電池のセパレータとして通常用いられるもの
であれば特に制限はないが、例えば図１に示すような平
板状で、アノードガス流路及びカソードガス流路となる
溝をそれぞれ上面及び下面に設けたものなどが挙げられ
る。

【００１８】本発明のセパレータにおいては、セパレー
タ基体には、そのアノードガス対応面にそれがアノード
ガスと直接接触しないように耐熱金属を含有する保護膜
を設けることが必要である。この保護膜は、還元雰囲
気、例えば水素雰囲気などの下でセパレータ基体を保護
するものである。この保護膜の耐熱金属としては、前述
のものが用いられるが、必ずしもセパレータ基体に用い
る耐熱金属と同一でなくてもよい。この保護膜には非導
電性セラミックスを含有させてもよく、この非導電性セ
ラミックスとしては還元雰囲気、例えば水素雰囲気など
の下でセパレータ基体を保護しうるものであれば特に制
限されないが、好ましくはアルミナ、シリカ、チタニア
などの酸化物系非導電性セラミックス、ムライト、スピ
ネル、コージュライト等の複合酸化物系非導電性セラミ
ックス、炭化ケイ素、窒化ケイ素など、より好ましくは
アルミナ、シリカ、ムライト、コージュライト、炭化ケ
イ素、窒化ケイ素が挙げられ、中でも特にアルミナが好
ましい。これらのセラミックスは単独で用いてもよい
し、また２種以上を組み合わせて用いてもよい。

【００１９】本発明において、耐熱金属として、前記し
たようなクロムを５％以上含有するものを用いた場合に
は、必要に応じ、セパレータ基体のカソードガス対応面
にそれがカソードガスと直接接触しないように保護膜が
設けられる。この保護膜は、クロム含量の多い耐熱金属
成分を含むサーメットから成るセパレータのもつ問題、
すなわちその含有成分のクロムが電池運転中に該セパレ
ータと接するカソード中に拡散し、カソード性能を低下
させるという問題を解消するのに役立つ。この保護膜は
金属酸化物、好ましくは十分な電気伝導度をもつ金属酸
化物であって、クロム又はその化合物の気相又は固相拡
散を抑止でき、固体電解質型燃料電池の作動温度付近の
高温下で酸化雰囲気に十分耐えうる安定な材料で構成さ
れる。このような保護膜材料に用いられる金属酸化物と
しては、例えば酸化インジウム、Ｓｎドープ酸化インジ
ウム、酸化亜鉛、酸化スズ、Ｓｂドープ酸化スズ、酸化
コバルト、酸化鉄、希土類系複合酸化物などが挙げら
れ、これらの中でも酸化亜鉛、希土類系複合酸化物中の
Ｌａ_1-zＳｒ_zＣｒＯ₃（式中、０＜ｚ≦０．４）及びＬ
ａＣｒＯ₃の中から選ばれた少なくとも１種が好まし
い。

【００２０】前記保護膜において、緻密度などの膜質と
膜厚とは、同等の効果を得るのに、膜質が緻密であれば
あるほど膜厚をより薄くしうるという関係にある。セパ
レータ基体における導電性セラミックスの種類やその存
在形態や場合によりクロム含量等により影響されるが、
例えば、膜厚は、相対密度が９０％以上の緻密な膜であ
る場合には耐熱金属を含有する保護膜で１〜５０００μ
ｍ、場合により設けられる金属酸化物の保護膜で０．１
〜１０μｍの範囲、相対密度が９０％未満の場合には耐
熱金属を含有する保護膜で１〜５０００μｍ、場合によ
り設けられる金属酸化物の保護膜で１０〜５００μｍの
範囲などとされる。

【００２１】本発明の新規なセパレータの製造は次のよ
うにして行われる。すなわち、前記サーメットから成る
セパレータ基体を作製し、次いでこの基体の片方のアノ
ード側に耐熱金属を含有する保護膜を被着させ、場合に
よりカソード側に金属酸化物を被着させることによって
保護膜を設ける。

【００２２】この際に用いられるサーメットは、耐熱金
属や耐熱金属源と、酸化物系導電性セラミックスや該セ
ラミックス源を粉末状で混合したのち、好ましくは非酸
化性雰囲気下、例えば還元性雰囲気下や不活性雰囲気下
などで、あるいは真空中で焼成することによって得られ
る。

【００２３】中でも、耐熱金属の体積比率が３０〜７０
％であり、耐熱金属がマトリックスとして、上記セラミ
ックスが分散質として存在し、しかも相対密度が９０％
以上であるサーメットは、好適には、（ａ）非造粒の耐
熱合金粉末と（ｂ）セラミックス粉末を造粒して調製さ
れたセラミックス造粒体を、各平均粒径が次の関係式セ
ラミックス粉末の粒径＜耐熱合金粉末（ａ）の粒径＜セ
ラミックス造粒体（ｂ）の粒径を満たすように選定し、
これらを混合したのち、混合物を加圧成形し、好ましく
は非酸化性雰囲気下あるいは真空中で焼成することによ
って得られる。

【００２４】この好適方法を具体的に説明すると、先ず
前記のようにして選定した各粉粒を完全に混合する。こ
の際（ｂ）の造粒物を破壊しないように留意する。次い
で、得られた混合物を、加圧成形、例えば冷間静水圧プ
レス成形を施したのち、セラミックスが焼結し、なおか
つ耐熱金属が溶融しない温度範囲で、非酸化性雰囲気
下、例えば還元雰囲気下や不活性ガス雰囲気下などや、
あるいは真空中で焼成する。還元雰囲気下で焼成する場
合、雰囲気中の水素濃度については特に制限はないが、
好ましくは０．１〜５％程度とするのがよい。また、焼
成温度は使用する合金種の融点以下で１１００〜１５０
０℃の範囲内とするのが好ましい。あるいは、以下の方
法で焼結することも可能である。すなわち、上記と同様
にして完全に混合した粉末を金属製の耐熱容器に封入
し、容器内を十分に脱気した後に容器ごと温間静水圧プ
レス成形を施して高温高圧下に熱処理することによっ
て、混合粉末は緻密に焼結する。熱処理温度は合金の融
点以下で１０００〜１４００℃、圧力は８００〜１２０
０ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲とするのが好ましい。これらの
方法において粉体として細かいものを用いることで焼結
性を向上させることができる。粉体は、セラミックスの
場合０．０５〜５μｍ程度の比較的細かいもの、合金の
場合１００μｍ以下、特に１〜３０μｍのものが好まし
い。

【００２５】セパレータ基体は、所定形状、好ましくは
図１に示すような両面溝付き平板状になるようにサーメ
ットを製造することで、サーメット自体をそのまま用い
るようにしてもよいし、上記のようにして得られたサー
メットをさらに所定形状に成形してもよい。

【００２６】次いで、セパレータ基体のアノードガス対
応面にそれがアノードガスと直接接触しないように耐熱
金属を含有する保護膜を成膜させる。耐熱金属にクロム
を５％以上含有する合金を用いた場合には、場合により
セパレータ基体のカソードガス対応面にそれがカソード
ガスと直接接触しないように金属酸化物を成膜させる。
この成膜法としては、プラズマ溶射法などの各種溶射
法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法、電解めっき
法、無電解めっき法、スラリー塗布法などがある。金属
酸化物を成膜させる場合、成膜は酸化物の形でも金属の
形でもよく、金属の形で成膜した場合にはさらに適当な
温度で酸化雰囲気中で焼成して酸化物膜とする。酸化物
として成膜した場合にも、膜の付着性や緻密度を向上さ
せるため焼成処理を施してもよい。このようにして、所
定の保護膜が設けられる。

【００２７】

【発明の効果】本発明のセパレータは、サーメット材料
の優れた特性により固体電解質型燃料電池のセパレータ
自体として優れた性質、すなわち高緻密度、高強度、良
好な電気伝導度を有し、耐熱性、耐食性に優れ、しかも
熱膨張率等の熱膨張特性を調整しうるという良好なセパ
レータ物性を保持しながら、さらにアノード側保護膜に
より、還元雰囲気にさらされるアノード側の劣化を抑止
し、セル全体としての高性能を長時間にわたり維持しう
るという顕著な効果を奏する。また、耐熱金属としてク
ロムを５％以上含有する耐熱金属を用いた場合には、必
要に応じカソード側保護膜を設けることによりセパレー
タの構成成分のクロムやその酸化物などの化合物の拡散
を抑止しカソードに悪影響を与えるのを防止し、セル全
体としての高性能を長時間にわたり維持しうるという顕
著な効果を奏する。特に、上記クロム含有耐熱金属に属
しない、ＡｌやＳｉを含有する耐熱金属を耐熱金属とし
て用いた場合には、上記カソード側保護膜を要しない
で、高性能を長時間維持することができ、この場合耐熱
金属に合金種として安価な鉄系耐熱合金を用いることが
できる。また、本発明のセパレータは、適切な素材を用
いることにより、その熱膨張率などの熱膨張特性を固体
電解質とほぼ等しく整合させることが可能である。例え
ば、固体電解質の素材がジルコニア系のものである場
合、セパレータの素材として熱膨張率がジルコニア系素
材より高い耐熱金属とジルコニア系素材より低いランタ
ンクロマイト系複合酸化物、イットリウムクロマイト系
複合酸化物などの希土類系複合酸化物の導電性セラミッ
クスとを組成成分とするものが用いられる。さらに、必
要に応じてアルミナ、シリカ、ムライト、コージュライ
ト、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの低熱膨張材料を混合
して熱膨張特性を調整することができる。このように熱
膨張特性を整合させることにより、燃料電池における各
部材の強固な接合が可能となり、ガス封止の安定性が向
上し、電池特性が向上する。

【００２８】特に、本発明のセパレータにおいて、サー
メット材料として、耐熱金属の体積比率が２０〜７０％
であり、かつ耐熱金属がマトリックスとして、セラミッ
クスが分散質として存在し、かつ相対密度が９０％以上
である前記複合体を用いた場合には、セパレータ自体と
して、高強度、良好な電気伝導度という特性を一層向上
させることが可能となり、さらに優れた性能を発揮しう
るので特に有利である。

【００２９】

【実施例】次に実施例によって本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されも
のではない。

【００３０】比較例１ インコネル６０１とＬａ_0.95Ｓｒ_0.05ＣｒＯ₃を体積比
で２０：８０に混合したものを焼成して相対密度９４％
としたサーメットを５０×５０×５ｍｍの平板に成形
し、その両面にガス流路として深さ１．０ｍｍの溝を設
けて両面溝付き平板を作製し、これを比較のための固体
電解質型燃料電池用セパレータとした。

【００３１】実施例１ 比較例と同様のサーメット粉末を成形型内に第１層とし
て充填し、さらにインコネル６０１とアルミナを体積比
で４０：６０に混合したサーメット粉末を第２層として
成形型内に充填した後に冷間静水圧プレス成形を行っ
た。このようにして得られた成形体を窒素雰囲気中、１
３５０℃で５時間焼成することによって、２層焼結体を
得た。この２層焼結体を５０×５０×５ｍｍの平板に加
工し、その両面にガス流路として深さ１．０ｍｍの溝を
設けて両面溝付き平板を作製し、固体電解質型燃料電池
用セパレータとした。

【００３２】実施例２ 実施例１と同様のサイズの固体電解質型燃料電池用セパ
レータを以下のとおり作製した。比較例と同様のサーメ
ット粉末をドクターブレード法により厚さ約３００μｍ
のシート状に成形し、予め深さ１．２ｍｍの溝形状を形
成した成形型内底面に気泡が残らないように張り付け第
１層とした。次いで実施例１の第２層と同じサーメット
粉末を第２層として成形型内に充填した後に冷間静水圧
プレス成形を行った。このようにして得られた成形体を
窒素雰囲気中、１３５０℃で５時間焼成することによっ
て、２層焼結体を得た。この２層焼結体の溝のない側を
平板に加工した後、その平面にガス流路として深さ１．
０ｍｍの溝を設けた。

【００３３】実施例３ 実施例１と同様のサイズの固体電解質型燃料電池用セパ
レータを以下のとおり作製した。実施例１の第２層と同
じサーメット粉末をドクターブレード法により厚さ約３
００μｍのシート状に成形し、予め深さ１．２ｍｍの溝
形状を形成した成形型内底面に気泡が残らないように張
り付け第１層とした。次いで比較例と同じサーメット粉
末を第２層として成形型内に充填した後に、冷間静水圧
プレス成形を行った。このようにして得られた成形体を
窒素雰囲気中、１３５０℃で５時間焼成することによっ
て、２層焼結体を得た。この２層焼結体の溝のない側を
平板に加工した後、その平面にガス流路として深さ１．
０ｍｍの溝を設けた。

【００３４】実施例４ 比較例と同様にして作製した両面溝付き平板をセパレー
タ基体に用い、この基体の、セルとした時のアノードガ
スに相対されるようになる面すべてに、Ｎｉを無電解メ
ッキ法により付着させることによって厚さ５μｍの緻密
なＮｉ膜を得た。このようにして、所望の保護膜の被覆
された固体電解質型燃料電池用セパレータを作製した。

【００３５】比較例２ 比較例１のインコネル６０１に代えてカンタル（Ｆｅ−
２０Ｃｒ−５Ａｌ−２Ｃｏ）を用い、それとＬａ_0.95Ｓ
ｒ_0.05ＣｒＯ₃との体積比を３０：７０とした以外は比
較例１と同様にしてセパレータを作製した。

【００３６】実施例５〜８ 実施例１〜４のインコネル６０１に代えてカンタルを用
い、それとＬａ_0.95Ｓｒ_0.05ＣｒＯ₃との体積比を３
０：７０、それとアルミナとの体積比を６０：４０とし
た以外は実施例１〜４と同様にしてセパレータを作製し
た。

【００３７】比較例３ 比較例１のインコネル６０１に代えて鉄クロム合金（Ｆ
ｅ−２５Ｃｒ−５Ａｌ−１Ｍｎ）を用い、それとＬａ
_0.95Ｓｒ_0.05ＣｒＯ₃との体積比を３０：７０とした以
外は比較例１と同様にしてセパレータを作製した。

【００３８】実施例９〜１２ 実施例１〜４のインコネル６０１に代えて鉄クロム合金
（Ｆｅ−２５Ｃｒ−５Ａｌ−１Ｍｎ）を用い、それとＬ
ａ_0.95Ｓｒ_0.05ＣｒＯ₃との体積比を３０：７０、それ
とアルミナとの体積比を６０：４０とした以外は実施例
１〜４と同様にしてセパレータを作製した。これらの実
施例において、第１層と第２層に用いる合金種は同一の
ものを用いているが、これらは互いに異種のものであっ
てもよく、特にアノードガスに相対する側の合金は、電
池の作動温度で溶融しないものであれば制限されない。

【００３９】応用例１ 図１の集合様式に従い、３段直列セルの固体電解質型燃
料電池を作製した。固体電解質板１１にはイットリアを
８モル％添加したジルコニアである安定化ジルコニア製
の５０×５０×０．２ｍｍの板状物を用いた。空気通路
側にＬａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃粉末（平均粒径約５μｍ）
をスラリー塗布法で厚さ０．１ｍｍに塗布してカソード
１２とし、水素通路側にＮｉとジルコニアの重量比１対
１のサーメット混合粉末をスラリー塗布法で厚さ０．１
ｍｍに塗布してアノード１３とした。セパレータ１４は
実施例１で作製したものを用いた。この固体電解質板１
１とセパレータ１４を図１のように積層し、固体電解質
板１１とセパレータ１４の間に電池の運転温度付近で軟
化するガラスを挟んでガス封止用とした。このガラスと
しては電池の運転温度付近までの高温で水素に対して耐
還元性があり、空気に対して耐酸化性があり、また耐水
蒸気性のあるものを選ぶ。次いで、図２に示すように、
こうして集積した電池２１に円筒型のアルミナ製マニホ
ールド２２を取り付け、マニホールドと電池の間にはガ
ラスを挟んでガス封止用とした。電気の取り出し部には
白金リード線を溶接して電気的に接続した。このように
して作製した固体電解質型燃料電池を加熱し、１０００
℃に保持してアノード側に水素、カソード側に空気を流
して作動、発電させた。発電は５Ａ定常運転で１０００
時間行った。その結果を表１に示す。

【００４０】応用例２〜１２ セパレータを実施例２〜１２のものにそれぞれ代えた以
外は応用例１と同様にして電池を作製し、発電した。そ
の結果を表１に示す。

【００４１】比較応用例１〜３ セパレータを比較例１〜３のものにそれぞれ代えた以外
は応用例１と同様にして電池を作製し、発電した。その
結果を表１に示す。

【００４２】

【表１】

【００４３】これより、比較例の保護膜なしのセパレー
タを用いた場合にはセル性能の劣化が著しいのに対し、
各実施例の保護膜を設けたセパレータを用いた場合には
いずれもセル性能はほとんど劣化せず、当初のセル性能
を長時間にわたって維持できることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 平板型の固体電解質型燃料電池の１例の展開
斜視説明図。

【図２】 図１の電池本体をマニホールドに収納して成
る燃料電池の斜視説明図。

【符号の説明】

１１ 固体電解質板 １２ カソード １３ アノード １４ セパレータ １４ａ、１４ｂ、１５ｂ、１６ａ 溝 １５、１６ 外部端子 ２１ 電池 ２２ マニホールド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中田 圭一 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目３番１ 号 東燃株式会社総合研究所内 (72)発明者 吉田 利彦 埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目３番１ 号 東燃株式会社総合研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）耐熱金属と酸化物系導電性セラミ
   ックスとから成るサーメットで構成されたセパレータ基
   体と、（Ｂ）該基体のアノードガス対応面にそれがアノ
   ードガスと直接接触しないように設けた耐熱金属を含有
   する保護膜とから成る固体電解質型燃料電池用セパレー
   タ。